Documento 68535

• Els recursos energètics
• Energia i fonts d'energia
• Les fonts d'energia al llarg del temps
Els pobles primitius utilitzaven energia muscular i aprofitaven l'energia del sol, més endavant utilitzaren
la força dels animals i obtingueren foc mitjançant combustibles vegetals. Els combustibles corrents de
l'ésser humà foren la fusta i els residus vegetals o animals i quan van necessitar grans quantitats d'energia
per a les mà quines de les indústries, van recórrer a l'energia del vent i de l'aigua.
La revolució industrial del s. XIX amb la utilització de la mà quina de vapor en el transport i la
mecanització provocà un gran augment de demanda d'energia. El carbó vegetal fou substituït pel
carbó mineral. La invenció del motor d'explosió, una mà quina que requeria benzina, a un combustible
derivat del petroli. Durant la Primera Guerra Mundial el petroli es considerà com una energia fonamental, ja
que els derivats del petroli tenien grans avantatges respecte del carbó: més poder calorÃ−fic, més
facilitat de transport i molt més econòmic. L'any 1973 amb motiu de la guerra araboisraeliana, el preu del
petroli es va triplicar, originant la crisi de l'energia.
El gas natural es començà a impulsar a partir de l'augment del consum energètic després de la Segona
Guerra Mundial. I la recerca de solucions a la necessitat d'energia suposà el desenvolupament de l'energia
nuclear.
• Classificació de les fonts d'energia
Energia solar
Energia eòlica
Energia hidrà ulica
Energia geotèrmica
Renovables Biomassa
Residus sòlids urbans
Energia maremotriu
FONTS Energia de les ones
D'ENERGIA
Carbó
Petroli
No renovables Gas natural
Energia nuclear
• Fonts d'energia tradicional: foc, aigua i vent
• L'escalfor del foc
1
El Sol fou la primera font d'energia que va utilitzar la humanitat, ja que fa ver possible l'existència d'animals
i plantes. Després es dominà el foc i durant anys la llenya fou l'única font de calor utilitzada. L'empraven
per escalfar-se, cuinar, il·luminar-se i fondre metalls.
• La força del vent
Té diferents aplicacions:
Transport. Primer s'utilitzà en el transport fluvial i després en el marÃ−tim. Durant l'edat mitjana amb la
invenció del timó i perfeccionament de les veles, podien dominar el rumb. I la navegació es dedicà en el
comerç, descobriments geogrà fics, etc.
Molins de vent. Es transforma l'energia del vent en energia mecà nica, i s'utilitzaven en zones on l'aigua era
escassa. Amb la invenció de la mà quina de vapor no calia dependre de si feia vent o no, i la seva
utilització es reduÃ− drà sticament.
Quan a finals del segle XIX amb l'inici de l'indústria elèctrica, s'utilitzaven per a produir energia elèctrica
i llavors aparegueren els aerogeneradors.
• L'impuls de l'aigua
La roda hidrà ulica o molÃ− d'aigua: Durant l'Imperi Romà el seu ús es destinà per a moldre gra. A
l'època medieval amb la millora dels seu disseny i del seu rendiment, és la mà quina que afavoreix el
desenvolupament de les tècniques de transmissió del moviment per engranatges, de la indústria tèxtil,
del paper, metal·lúrgica, etc.
A finals del segle XIX amb l'aparició de la indústria elèctrica, les rodes es substitueixen per turbines que
mouran els generadors elèctrics.
• El poder de la calor
• Els materials combustibles
Els materials combustibles són substà ncies que al combinar-se amb l'oxigen, donen el fenomen de la
combustió, i s'obté energia calorÃ−fica i, normalment, energia lluminosa.
A causa del desenvolupament de la mà quina de vapor, necessitaven noves fonts d'energia més abundants i
amb més poder calorÃ−fic:
• Combustibles fòssils: són naturals i els més abundants. Respecte al seu estat es classifiquen en
sòlids, lÃ−quids o gasosos.
• Combustible sòlid: el més utilitzat és el carbó en qualsevol de les seves formes: antracita,
hulla o lignit.
• Combustibles lÃ−quids: provenen de la destil·lació del petroli.
• Combustibles gasosos: el més utilitzat és el gas natural i els gasos liquats del petroli, com ara el
butà i el propà .
• Poder calorÃ−fic i capacitat calorÃ−fica
El poder calorÃ−fic és l'energia que es desprèn en la combustió completa de la unitat de massa o volum
d'un combustible.
273
2
Pc = Pc(CN) · p ·
273 + T
La capacitat calorÃ−fica és la quantitat de calor que ha de rebre una substà ncia per elevar la seva
temperatura 1ºC.
Q = C · (T2-T1) = m· ce · (T2-T1)
• Llenya i carbó
• La llenya
El carbó vegetal s'obté de la piròlisi o combustió de llenya amb poca presència d'oxigen. En el
mètode tradicional, la llenya s'apila i es cobreix de terra per evitar el contacte directe amb l'aire.
• El carbó mineral
El carbó mineral o carbó, és el primer combustible fòssil que va utilitzar la humanitat, està format
per carboni, hidrogen, oxigen, nitrogen i altres components. Era el combustible més utilitzat per al transport
marÃ−tim i ferroviari i per il·luminar les ciutats.
A mitjan del s. XX el consum disminuÃ− a causa del petroli, però amb la crisi energètica pujà el seu
consum, ja que existien unes reserves superiors a les del petroli i actualment figura el consum de carbó en
tots els PEN dels països industrialitzats.
PEN (Pla Energètic Nacional): conjunt d'estratègies, plans i objectius que defineixen la polÃ−tica
energètica d'un paÃ−s a mitjà i llarga termini.
Origen i propietats
Processos d'obtenció
Explotació a cel obert. Comença retirant el material que cobreix el jaciment, i el carbó queda al
descobert. Amb maquinà ria especial i amb explosius es trenca el carbó i se n'obtenen grans quantitats de
manera rà pida i econòmica.
Explotació subterrà nia. Consisteix en l'excavació de pous verticals fins a arribar a la veta i seguidament
s'obren diferents galeries. El mineral es desprèn de la veta i es recull mecà nicament amb vagonetes que el
treuen a la superfÃ−cie,
A peu de mina, el carbó es tritura, es renta i es classifica, i es porta als llocs de consum en trens o camions.
El treball en les mines és molt perillós i amb maquinà ria costosa i mà d'obra especialitzada. Una de les
malalties més perilloses és la silicosi, una malaltia que afecta als pulmons, provocada per la respiració
durant molt d'aire carregat de partÃ−cules sòlides.
El grisú és un gas combustible que desprèn el carbó i necessita ventilació constant per a que no
s'acumuli i exploti.
Gasificació del carbó. Consisteix en introduir un gas a la veta mineral, de la qual cosa resulta gas de
carbó que s'utilitza com a combustible.
Aplicacions
3
• Petroli i derivats. Gas natural
• El petroli
El petroli brut és un lÃ−quid de color variable, des del terrós fins al negre, lleugerament menys dens que
l'aigua, és viscós i té un olor desagradable. às constituït per una barreja d'hidrocarburs, també
conté petites quantitats de sofre, oxigen i nitrogen. El petroli brut no té aplicació directa, s'han de
separar els components per destil·lació a les refineries.
Origen
Va iniciar la seva formació fa uns 600 milions d'anys, per l'acumulació de plà ncton marÃ−. Era arrossegat
cap a la costa , moria i es dipositava al fons, quedant cobert de sorra, argila i fang. La matèria orgà nica es
descomposà i a causa de la pressió i temperatura es va originar el petroli. I es troba en bosses de petroli i
gas.
Localització i extracció
La localització es fa sempre en regions amb roques sedimentà ries. Per perforar es construeix una torre de
perforació i s'obre un pou de prova. Les torres són unes estructures metà l·liques que suporten el pes
d'una sonda que es va enfonsant fins travessar la roca. Al cap de la sonda hi ha una barrina feta d'un material
molt dur, i un potent motor arrossega la sonda.
Un cop travessada la roca, si hi apareix petroli sobren més pous i s'analitza la qualitat del cru. L'extracció
del petroli pot ser natural o artificial. La natural, és quan el petroli es troba pressionat i surt pel tub de
sondeig. I l'artificial, surt el petroli per mitjà de bombes aspirants.
També es poden trobar bosses marines sota el mar i s'obté grà cies a les plataformes marines.
Transformació en productes aptes per al consum
Destil·lació fraccionada
Cracking: consisteix en la descomposició dels hidrocarburs més pesants per obtenir-ne de més lleugers.
Es pot fer a temperatures i pressions elevades o amb un catalitzador quÃ−mic.
Polimerització: à s el procés quÃ−mic al contrari del cracking.
Reforming: Es fa servir per millorar les caracterÃ−stiques de les benzines. Es fa a altes temperatures i en
presència d'un catalitzador.
Aplicacions dels productes obtinguts
• Directament:
♦ Gas butà i propà (combustible industrial domèstic)
♦ Ã ter del petroli (dissolvent).
♦ Benzina (combustible per a motors d'explosió).
♦ Querosè (combustible per a motors d'aviació).
♦ Gasoil (combustible per a calefaccions i motors dièsel).
♦ Olis lubricants (lubricar).
♦ Ceres de parafines (espelmes, llumins,...).
♦ Fuel (combustible per a centrals tèrmiques).
4
♦ Asfalt (pavimentar terres).
• Indústria petroquÃ−mica: és la que utilitza els derivats del petroli per a l'obtenció de molts
productes de gran aplicació. I produeix:
♦ Plà stics
♦ Fibres sintètiques (niló i polièster).
♦ Detergents
♦ Cautxú sintètic (fabricació de pneumà tics).
♦ Dissolvents i pintures.
♦ Insecticides, explosius i productes farmacèutics.
• El gas natural
Tal com el trobem a la natura està format per metà 70% i barrejat amb età , propà , butà , etc. en
proporcions variables.
Origen, extracció i transport
La formació és semblant a la del petroli, i la seva localització i l'extracció també. El gas abans de ser
transportat, és processat per eliminar les seves impureses i s'obté metà pur.
A partir de la Segona Guerra Mundial, com que creix la demanda es desenvolupa l tecnologia per a la seva
producció i transport.
El transport es realitza amb gasoductes, en els quals es transporta en estat gasós i una pressió entre 36 i 37
atmosferes, o també amb vaixells metaners que es transporta en estat lÃ−quid. Però per a que resulti
econòmic se li redueix el tamany refredant-lo fins a gas natural liquat.
La distribució de la planta a qualsevol lloc de consum es fa a través de canonades a diferents pressions,
depenen de la distà ncia.
Aplicacions
• En la indústria, comerç i l'habitatge.
• En les centrals tèrmiques mixtes.
• En les instal·lacions de cogeneració.
• En la indústria petroquÃ−mica.
• Combustibles gasosos
Són gasos que reaccionen amb l'oxigen de forma rà pida i alliberant calor.
• Primera famÃ−lia. Gasos de poder calorÃ−fic en CN entre 4000 i 5500 kcal/m3 (gas ciutat o
manufacturat).
• Segona famÃ−lia. Gasos de poder calorÃ−fic en CN entre 10000 i 13000 kcal/m3 (gas natural i l'aire
propanat).
• Tercera famÃ−lia. Gasos de poder calorÃ−fic entre 22500 i 28700 kcal/m3 (gas butà i el propà ).
• Combustibles nuclears
• Estructura de l'Ã tom
5
L'estructura segons el model de Rutherford, està formada per un nucli amb els protons i els neutrons que els
cohesionen, i girant al seu voltant els electrons, en diferents òrbites el·lÃ−ptiques, segons el seu número i
nivell d'energia.
El nombre de protons que té un à tom en el seu nucli és el nombre atòmic (Z). I el nombre de protons
més el de neutrons d'un à tom s'anomena nombre mà ssic o massa atòmica (A).
Dels à toms del mateix element que difereixen en el nombre de neutrons i, també en el nombre mà ssic, es
diu que són isòtops de l'element.
Isòtops de l'hidrogen:
123
U Hidrogen o ProtÃ− U Deuteri U Triti
111
• Radioactivitat. Vida mitjana d'un element radioactiu
La radioactivitat natural es produeix quan un nucli d'un à tom es transforma espontà niament en un altre,
sense cap ajuda exterior. Els materials en què es produeix aquest fenomen s'anomenen materials o elements
radioactius.
En la transmutació espontà nia surten del nucli de l'à tom anomenades radiacions, que poden ser alfa (α),
beta (β) i gamma (γ).
Propietats de les radiacions emeses pels materials radioactius
Desviació per
Tipus de
Poder de penetració camps magnètics i
Velocitat
radiació
elèctrics
La frena un full de
Alfa (α)
paper o uns quants cm Dèbil
107 m/s
d'aire.
La frenen uns quants
Propera a la de la
Beta (β)
mm. d'alumini o 1 m
Gran
llum
d'aire
La frenen uns quants
mm. de plom o uns
quants metres de
formigó.
Naturalesa
PartÃ−cules
positives (nuclis
d'heli)
PartÃ−cules
negatives (electrons)
Fotons
La de la llum
Llum no visible
(longitud d'ona molt
curta)
Henry Becquerel va descobrir la radioactivitat natural l'any 1896. Després del matrimoni Curie va trobar
que l'urani i tori la tenien, i que els compostos de radi i d'actini són radioactius. Irène Curie i
Frédéric Joliot descobriren la radioactivitat artificial l'any 1934.
Gamma (γ)
Nul·la
(108 m/s)
Els isòtops radioactius artificials s'obtenen mitjançant el bombardeig de nuclis amb partÃ−cules alfa, beta i
gamma, i sobretot neutrons.
La vida mitjana d'un element radioactiu és el temps en què una determinada quantitat d'element
radioactiu es redueix a la meitat, pel fet d'haver-se desintegrat l'altra meitat.
6
• L'energia del nucli atòmic
L'energia nuclear és l'energia continguda en el nucli dels à toms.
La pèrdua de massa correspon a una transformació d'energia anomenada energia d'enllaç, que és
necessà ria per mantenir molt unides i cohesionades les partÃ−cules del nucli.
La pèrdua de massa es converteix en energia per la fórmula d'Einstein E = m · c2.
Les centrals nuclears utilitzen reactors nuclears d'urani o plutoni com a font de calor. I tota la matèria no es
pot transformar en energia, ja que són elements estables.
• Reaccions nuclears
às qualsevol procés que implica el nucli d'un à tom. Hi ha dos tipus de reaccions:
Reaccions de fusió
S'uneixen nuclis d'elements lleugers per formar nuclis més pesats.
Es poden aconseguir reaccions de fusió escalfant les partÃ−cules a 100·106, en aquestes condicions els
electrons i nuclis dels à toms es troben en el quart estat de la matèria o plasma. El problema és coma
aïllar el plasma a una temperatura tan alta. La solució més viable consisteix a crear un potent camp
magnètic.
Reaccions de fissió
Consisteix a provocar la ruptura del nucli d'un à tom amb l'impacte d'un neutró.
O. Hahn i I:S. Strassman són els que aconseguiren la primera reacció de fissió l'any 1939 a BerlÃ−n. I
amb aquest descobriment començà l'era atòmica.
L'interès era que cada nucli escindit emeti dos o tres neutrons que pugui escindir altre nuclis d'urani, aquest
procés és la reacció en cadena.
Bohr va demostra que només l'U-235 és capaç d'escindir-se.
La quantitat d'energia obtinguda per una reacció es controlada per un reactor nuclear, que és un sistema
per produir i controlar reaccions en cadena sostingudes de manera que permetin d'aprofitar l'energia tèrmica
obtinguda.
• Processos d'obtenció i enriquiment dels combustibles
Els combustibles nuclears són els elements que en condicions adequades poden produir reaccions nuclears
de fusió i fissió, energèticament aprofitables.
Els materials fèrtils són aquells que amb reaccions nuclears de captura i canvi radioactiu es converteixen en
materials fissibles.
L'urani natural està format pel 99,27% d'U238, 0,72% d'U-235 i la resta d'U-234
L'urani enriquit, la proporció d'U-235 ha augmentat el 3 o 4&.
7
• Cicle del combustibles
• Importà ncia econòmica dels recursos energètics
Producció i consum
Els combustibles fòssils han fet possible el món modern, i van ser el motor de la revolució industrials.
El petroli, el gas i el carbó representen el 90% de la producció d'energia mundial, la resta prové de
recursos renovables.
La distribució de la producció i consum dels diferents combustibles és molt desigual. Alguns països
gran productors de petroli i gas, donat el seu escàs desenvolupament són exportadors de petroli cru.
Reserves i jaciments
Les reserves provades són els recursos existents potencialment utilitzables amb les condicions tècniques i
econòmiques actuals.
Els grans productors són:
Carbó: països de l'antiga URSS, la Xina, els Estats Units, Alemanya, Polònia, Sud-à frica, l'à ndia i
Austrà lia.
Petroli: països del golf Pèrsic, Estats Units, l'antiga URSS, Veneçuela, Indonèsia, Mèxic, Nigèria i
LÃ−bia.
Gas natural: països de l'antiga URSS, els del golf de Pèrsic, els Estats Units, Veneçuela, Indonèsia,
Nigèria, Austrà lia, Noruega, Malà isia, la Xina, Algèria i LÃ−bia.
Urani: el Canadà , Sud-à frica, els Estat Units, NamÃ−bia i NÃ−ger.
• La contaminació ambiental
• Efecte hivernacle.
• La pluja à cida
• Les boires fotoquÃ−miques
Les boires fotoquÃ−miques es la creació sobre les ciutats d'una cúpula d'aire calent amb unes condicions
atmosfèriques, inversió tèrmica i falta de vent, que carregada de partÃ−cules dels fum dels cotxes,
centrals tèrmiques, indústries, etc., queda retinguda i no s'aixeca.
• La contaminació radioactiva
Els residus que generen les centrals nuclears són radioactius i emeten radiacions perilloses per les persones,
els animals i les plantes. Els grans problemes de les centrals nuclears són les emissions radioactives i la
gestió dels residus radioactius.
14
Antracita. 95% de C. Aspecte brillant i crema amb flama i poca cendra. DifÃ−cil extracció.
8
Hulla. 75%-90% de C. Gran poder calorÃ−fic, impermeables i fácil destilació i es converteix en coc.
Lignit. 65%-75% de C. Carbons d'origen recent i poder calorÃ−fic baix
Torba. 60% de C i molta humitat. Estructura fibrosa vegetal. Es forma a les torberes.
6000 m
3000 m
1000 m
Indústria
especialitzada
Indústria
recuperadora
Energia
Incineradora
Piròlisi
Matèries elementals
Etilè
Propilè
MetÃ
Redidus de
Fabricació
Residus
de
plà stic
Consum
Productes
de
plà stic
9
Industria
elaboradora
M. Plà stiques
Granulat
Pols
LÃ−quid
Indústria quÃ−mica
Matèries primeres
Derivats del petroli
Gas natural
Carbó
QuitrÃ
Residu
atmosfèric
Aigua
Aigua
Gas
Petroli
Roca impermeable
Torre
de buit
Petroli
cru
Forn
Torre
atmosfèrica
10
ButÃ
PropÃ
Gas lleuger
Gasolina (>40ºC)
Forn
Gasoil
Naftes
Querosè
Olis lubricants
Fuel-oil
Olis i asfalts
Querosè (200-300ºC)
Gasoil (300-375ºC)
Fuel-oil (⠥350ºC)
Deuteri Triti
23
HH
11
41
He n
20
Energia
Neutró
Neutró
Neutró
Neutró
11
Nucli Neutró
d'Urani-235
Neutró
Productes
De la fissió
Nucli
d'urani-235 Neutró
Urani
natural
Emmagatzematge definitiu en formacions geològiques
Residus
d'activitat
Reelaboració
Transport
Enriquiment
Fabricació d'elements combustibles
Emmagatzematge intermig
Central nuclear
Urani
Plutoni
Emissió de CO2 i CFc
Calor que absorbeix la Terra
Calor retinguda per l'excés de CO2
Raigs infrarrojos que retornen a l'espai
Calor retinguda per l'excés de CO2
Energia
12
solar
Raigs retornats a l'atmosfera per la superficie de la Terra
Deposició humida: neu i pluja à cida
HNO3
H2SO4
Deposició
seca
Hifrocarburs NoxSOx
Emissions a l'atmosfera
Cotxes
Industries
...
Transformació quÃ−mica
NO2 HNO3
SO2 H2SO4
13